CN106571573A - 一种掺混纳米金刚石的高耐磨铜基石墨电机碳刷及其制备方法 - Google Patents

一种掺混纳米金刚石的高耐磨铜基石墨电机碳刷及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种掺混纳米金刚石的高耐磨铜基石墨电机碳刷，该碳刷材料以天然鳞片石墨、铜粉作为基料，加入纳米金刚石、铬粉等原料进行改性处理，在制备过程中预先将天然鳞片石墨、纳米金刚石表面沉积聚多巴胺膜层以改善其表面性能，获得了内部结构紧密的坯体材料，并以掺混碳纳米微球的导电性硅溶胶取代传统的树脂粘接剂，防止出现焦炭化颗粒，最终制备的碳刷材料表现出良好的润滑性，表面抗磨损能力较之传统的铜基石墨碳刷大幅度提高，更易滑动转向，电性能优良，不易打火，综合性能突出。

Description

一种掺混纳米金刚石的高耐磨铜基石墨电机碳刷及其制备 方法
技术领域
本发明涉及石墨碳刷技术领域，尤其涉及一种掺混纳米金刚石的高耐磨铜基石墨电机碳刷及其制备方法。
背景技术
碳刷是电动机中固定部分和转动部分之间传递能量或信号的一类摩擦装置，是电动机的重要组成部件，是一种石墨和胶粘剂的混合体，由于其主要成分是碳，所以称为碳刷。碳刷作为导出导入电流的滑动接触体，要求其具有良好的导电、导热以及润滑性能，并具有一定的机械强度和换向性火花的性，随着科学技术的发展，电机的种类和使用的工况条件越来越多样化，对碳刷材料的综合性能要求也越来越高。
按原材料的组成和生产工艺，碳刷材料可分为碳石墨类、电化石墨类、金属石墨类，其中金属石墨类碳刷制作周期较短，制作工艺相对简单，应用较为广泛。传统的金属石墨类碳刷主要是鳞片石墨与铜粉、银粉、锡粉等金属粉体在粘接剂的作用下混合、压制、烧结制备得到，金属元素的添加可显著的影响材料的硬度、韧性、导电性以及摩擦性能，金属的种类和配比是实现材料综合性能协调的关键；除此之外，体系中的粘接剂、功能助剂等原料对碳刷的性能也有重要的影响。《Pb及Sn的添加对高铜碳刷组织结构及性能的影响》一文介绍了Pb、Sn合金元素对含铜碳刷的性能影响，结果表明，合金元素的对材料的硬度、韧性有一定程度的提高，但是在导电性以及耐磨性上表现较差，材料性能的整体协调性较弱，使用效果不佳；有研究报道，纳米材料的添加对碳刷的耐磨性有一定的改善作用，比如《碳纳米管增强树脂/石墨碳刷的制备与性能研究》一文引入碳纳米管作为改性剂，有效的降低了材料的摩擦系数，耐磨性能佳，但是其中的环氧树脂粘接剂受热形成的炭化颗粒在摩擦过程中容易脱落，导致表面出现缺陷，加速磨损，长时间工作后导致碳刷性能变差。
发明内容
本发明目的就是为了弥补已有技术的缺陷，提供一种掺混纳米金刚石的高耐磨铜基石墨电机碳刷及其制备方法。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种掺混纳米金刚石的高耐磨铜基石墨电机碳刷，该碳刷材料由以下重量份的原料制成：碳纳米微球1-2、天然鳞片石墨粉10-15、纳米金刚石2-3、铜粉30-40、铬粉3-5、乙醇（分析纯）40-50、硬脂酸0.4-0.5、正硅酸乙酯1-2、十二烷基硫酸钠0.01-0.02、Tris-HCl缓冲溶液适量、氨水0.1-0.2、盐酸多巴胺2-3、去离子水50-60。
所述的一种掺混纳米金刚石的高耐磨铜基石墨电机碳刷的制备方法包括以下步骤：
（1）先取去离子水投入反应容器中，接着加入盐酸多巴胺，搅拌至其完全溶解后滴加Tris-HCl缓冲溶液，调节体系pH值为8-8.5，随后依次加入天然鳞片石墨粉、纳米金刚石，搅拌混合均匀后静置36-48h，处理结束后过滤，过滤物经水洗后干燥备用；
（2）取乙醇投入反应容器中，随后加入正硅酸乙酯、硬脂酸，搅拌混合20-30min后加入氨水，继续搅拌反应15-20min，随后将体系加热至60-80℃，并加入碳纳米微球、十二烷基硫酸钠，搅拌混合3-5h，得复合硅胶粘结剂备用；
（3）将步骤（1）制备的物料与其它剩余物料初混后加入步骤（2）制备的复合硅胶粘接剂，高速搅拌混合2-3h后复合物料干燥处理，完全干燥后物料在300-350MPa压力下经全自动压机带线一次成型，随后坯体真空高温烧结处理，即得所述的碳刷材料。
所述的步骤（3）中坯体真空高温烧结条件为：真空度：12-18Pa，烧结温度为850-920℃，压强为12-15MPa，烧结时间为30-40min。
本发明制备了一种掺混纳米金刚石的高耐磨铜基石墨电机碳刷，这种碳刷材料以天然鳞片石墨、铜粉作为基料，加入纳米金刚石、铬粉等原料进行改性处理，在制备过程中预先将天然鳞片石墨、纳米金刚石表面沉积聚多巴胺膜层以改善其表面性能，获得了内部结构紧密的坯体材料，并以掺混碳纳米微球的导电性硅溶胶取代传统的树脂粘接剂，防止出现焦炭化颗粒，最终制备的碳刷材料表现出良好的润滑性，表面抗磨损能力较之传统的铜基石墨碳刷大幅度提高，更易滑动转向，电性能优良，不易打火，综合性能突出。
具体实施方式
一种掺混纳米金刚石的高耐磨铜基石墨电机碳刷，该碳刷材料由以下重量份的原料制成：碳纳米微球1、天然鳞片石墨粉10、纳米金刚石2、铜粉30、铬粉3、乙醇（分析纯）40、硬脂酸0.4、正硅酸乙酯1、十二烷基硫酸钠0.01、Tris-HCl缓冲溶液适量、氨水0.1、盐酸多巴胺2、去离子水50。
该碳刷材料的制备方法包括以下步骤：
（1）先取去离子水投入反应容器中，接着加入盐酸多巴胺，搅拌至其完全溶解后滴加TrisHCl缓冲溶液，调节体系pH值为8，随后依次加入天然鳞片石墨粉、纳米金刚石，搅拌混合均匀后静置36h，处理结束后过滤，过滤物经水洗后干燥备用；
（2）取乙醇投入反应容器中，随后加入正硅酸乙酯、硬脂酸，搅拌混合20min后加入氨水，继续搅拌反应15min，随后将体系加热至60℃，并加入碳纳米微球、十二烷基硫酸钠，搅拌混合3h，得复合硅胶粘结剂备用；
（3）将步骤（1）制备的物料与其它剩余物料初混后加入步骤（2）制备的复合硅胶粘接剂，高速搅拌混合2h后复合物料干燥处理，完全干燥后物料在300MPa压力下经全自动压机带线一次成型，随后坯体真空高温烧结处理，即得所述的碳刷材料。
其中步骤（3）中坯体真空高温烧结条件为：真空度：12Pa，烧结温度为865℃，压强为12MPa，烧结时间为40min。
制成的碳刷材料根据相关标准进行性能测试，测试结果为：
肖式硬度：24.2；弯曲强度：20.5MPa；摩擦系数：0.10；电阻率：0.14μΩ.m。

Claims (3)

1.一种掺混纳米金刚石的高耐磨铜基石墨电机碳刷，其特征在于，该碳刷材料由以下重量份的原料制成：碳纳米微球1-2、天然鳞片石墨粉10-15、纳米金刚石2-3、铜粉30-40、铬粉3-5、乙醇（分析纯）40-50、硬脂酸0.4-0.5、正硅酸乙酯1-2、十二烷基硫酸钠0.01-0.02、Tris-HCl缓冲溶液适量、氨水0.1-0.2、盐酸多巴胺2-3、去离子水50-60。
2.如权利要求1所述的一种掺混纳米金刚石的高耐磨铜基石墨电机碳刷的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）先取去离子水投入反应容器中，接着加入盐酸多巴胺，搅拌至其完全溶解后滴加Tris-HCl缓冲溶液，调节体系pH值为8-8.5，随后依次加入天然鳞片石墨粉、纳米金刚石，搅拌混合均匀后静置36-48h，处理结束后过滤，过滤物经水洗后干燥备用；
（2）取乙醇投入反应容器中，随后加入正硅酸乙酯、硬脂酸，搅拌混合20-30min后加入氨水，继续搅拌反应15-20min，随后将体系加热至60-80℃，并加入碳纳米微球、十二烷基硫酸钠，搅拌混合3-5h，得复合硅胶粘结剂备用；
（3）将步骤（1）制备的物料与其它剩余物料初混后加入步骤（2）制备的复合硅胶粘接剂，高速搅拌混合2-3h后复合物料干燥处理，完全干燥后物料在300-350MPa压力下经全自动压机带线一次成型，随后坯体真空高温烧结处理，即得所述的碳刷材料。
3.如权利要求2所述的一种掺混纳米金刚石的高耐磨铜基石墨电机碳刷的制备方法，其特征在于，所述的步骤（3）中坯体真空高温烧结条件为：真空度：12-18Pa，烧结温度为850-920℃，压强为12-15MPa，烧结时间为30-40min。
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